Question

2．甲醇是一種新型的汽車動(dòng)力燃料，工業(yè)上可通過CO和H₂化合來制備CH₃OH（g）．已知某些化學(xué)鍵的鍵能數(shù)據(jù)如表：

化學(xué)鍵	C-C	C-H	H-H	C-O	C≡O(shè)	H-O
鍵能/kJ•mol-1	348	413	436	358	1072	463

請回答下列問題：
（1）已知CO中的C與O之間為叁鍵連接，則工業(yè)制備CH₃OH（g）的熱化學(xué)方程式為CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）△H=-116 kJ•mol^-1．
（2）在恒溫恒容時(shí)，下列說法中能表明上述反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的有ABD．
A．CO的物質(zhì)的量不再變化B．v（H₂）_正=2v（CH₃OH）_逆
C．混合氣體的密度不再變化D．混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不再變化
（3）某研究小組在初始投料量相同的條件下，分別在250℃、300℃、350℃模擬以上工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測定不同溫度下CO的平衡轉(zhuǎn)化率與壓強(qiáng)的關(guān)系如圖1所示．（A、B、C分別表示不同溫度）

①T_C=350℃；K_A＞K_B（填“＞”、“＜”或“=”）
②實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，通常選擇溫度為A℃、壓強(qiáng)1.3×10⁴kPa左右，選擇此壓強(qiáng)的理由是此壓強(qiáng)下CO的轉(zhuǎn)化率已較高，再增大壓強(qiáng)轉(zhuǎn)化率提高不大且會(huì)增加生產(chǎn)成本．
（4）如圖2，常溫下，利用甲醇燃料電池電解100mL 0.1食鹽水，電解一段時(shí)間后，收集到氫氣0.224L（已換算成標(biāo)況下，忽略電解前后溶液體積的變化）．
①電解后恢復(fù)至常溫，U型管中溶液的pH=13（忽略Cl₂與NaOH的反應(yīng)）
②繼續(xù)電解一段時(shí)間，將燃料電池中產(chǎn)生的0.1mol CO₂通入到含有0.15mol NaOH的溶液中，則所得溶液中所有離子的濃度由大到小的順序?yàn)閏（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)化學(xué)反應(yīng)焓變=反應(yīng)物鍵能總和-生成物鍵能總和計(jì)算，標(biāo)注物質(zhì)聚集狀態(tài)和對(duì)應(yīng)反應(yīng)的焓變寫出熱化學(xué)方程式；
（2）當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，各物質(zhì)的濃度不變，由此衍生的一些物理量不變，注意該反應(yīng)是在一個(gè)反應(yīng)前后氣體體積不變的容器中進(jìn)行的反應(yīng)；
（3）①升高溫度CO的轉(zhuǎn)化率降低，曲線c轉(zhuǎn)化來看最低，溫度應(yīng)最高，即為350℃；平衡常數(shù)與壓強(qiáng)無關(guān)，只與溫度有關(guān)，結(jié)合平衡移動(dòng)判斷；
②由圖可知，在250°C、1.3x10⁴kPa左右，CO的轉(zhuǎn)化率已較高，再增大壓強(qiáng)CO轉(zhuǎn)化率提高不大，且增大成本；
（4）①根據(jù)電解氯化鈉溶液的電解方程式來求溶液的PH；②先判斷CO₂和NaOH溶液反應(yīng)的產(chǎn)物，然后根據(jù)水解來解答．

解答 解：（1）CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g），反應(yīng)的焓變可以根據(jù)反應(yīng)物的總鍵能和生成物的總鍵能計(jì)算得到，焓變=反應(yīng)物總鍵能之和-生成物總鍵能之和，依據(jù)圖表提供的化學(xué)鍵的鍵能計(jì)算得到，）△H₁═1072KJ/mol+2×436KJ/mol-（3×413KJ/mol+358KJ/mol+463KJ/mol）=-116 kJ•mol^-1，熱化學(xué)方程式CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）△H=-116 kJ•mol^-1，
故答案為：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）△H=-116 kJ•mol^-1；
（2）A．CO的物質(zhì)的量不再變化，濃度不變，表明上述反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故A正確；
B．v（H₂）_正=2v（CH₃OH）_逆能說明正逆反應(yīng)速率相等，即化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡，故B正確；
C．反應(yīng)是前后都是氣體，氣體質(zhì)量不變，恒溫恒容，體積不變，混合氣體的密度ρ=$\frac{m}{v}$，始終不變，故C錯(cuò)誤；
D．容器內(nèi)氣體的平均摩爾質(zhì)量等于總質(zhì)量除以總物質(zhì)的量，質(zhì)量守恒保持不變，但是n變化，當(dāng)氣體的平均摩爾質(zhì)量不變了，證明達(dá)到平衡，故D正確；
故答案為：ABD；
（3）①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）△H=-116 kJ•mol^-1升高溫度CO的轉(zhuǎn)化率降低，曲線c轉(zhuǎn)化來看最低，溫度應(yīng)最高，即為350℃，相同壓強(qiáng)下，溫度越高，CO的轉(zhuǎn)化率越小，所以A為250℃，B為300℃，平衡常數(shù)與壓強(qiáng)無關(guān)，只與溫度有關(guān)，相同壓強(qiáng)下，溫度越高，CO的轉(zhuǎn)化率越小，說明升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，則平衡常數(shù)減小，故K_a＞K_b，
故答案為：350；＞；
②由圖3可知，在250°C、1.3x10⁴kPa左右，CO的轉(zhuǎn)化率已較高，再增大壓強(qiáng)CO轉(zhuǎn)化率提高不大，且增大生成成本，得不償失，故選擇250°C、1.3x10⁴kPa左右，
故答案為：此壓強(qiáng)下CO的轉(zhuǎn)化率已較高，再增大壓強(qiáng)轉(zhuǎn)化率提高不大且會(huì)增加生產(chǎn)成本；
（4）①由方程式：2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑
                                                          2            1
                                                         0.01mol     $\frac{0.224L}{22.4L/mol}$=0.01mol
由題可知：之后反應(yīng)為直接電解水，溶液pH值不改變，C（H⁺）═$\frac{1{0}^{-14}}{\frac{0.01mol}{0.1L}}$=10^-13mol/L，所以PH=13，
故答案為13；
②由反應(yīng)：CO₂ +2NaOH═Na₂CO₃+H₂O，CO₂ +NaOH═NaHCO₃，CO₂ 與NaOH的物質(zhì)的量之比=0.1：0.15=1：1.5，故CO₂ 與NaOH都完全反應(yīng)，所得產(chǎn)物為Na₂CO₃和NaHCO₃，設(shè)所得產(chǎn)物中含Na₂CO₃為xmol，NaHCO₃為ymol，則：x+y=0.1，2x+y=0.15，聯(lián)立方程解得x=y=0.05，
所以產(chǎn)物為0.05molNa₂CO₃，0.05molNaHCO₃，因CO₃^2-水解，溶液呈堿性，溶液呈堿性，則c（OH^-）＞c（H⁺），鹽水解程度較小，則c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-），水中OH^-來源于CO₃^2-、HCO₃^-水解及水的電離，水的電離程度很小，則c（CO₃^2-）＞c（OH^-），所以c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案為：c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

點(diǎn)評(píng) 本題考查熱化學(xué)方程式的書寫、化學(xué)平衡圖象及影響因素、化學(xué)平衡狀態(tài)判斷、電化學(xué)、水解平衡等知識(shí)，綜合性較強(qiáng)，注意掌握化學(xué)平衡常數(shù)的應(yīng)用、化學(xué)平衡圖象及影響因素，題目難度中等．